I.4.2.1. Thành phần húa học
Cao lanh là một loại khoỏng sột tự nhiờn ngậm nước mà thành phần chớnh là
khoỏng vật kaolinit, cụng thức húa học đơn giản là Al2O3.2SiO2.2H2O; cụng thức
lý tưởng là Al4(Si4O10)(OH)8 với hàm lượng SiO2 = 46,54%, Al2O3 = 39,5% và
H2O = 13,96% trọng lượng. Tuy nhiờn, trong thực tế thành phần lý tưởng này rất ớt
gặp, vỡ ngoài ba thành phần chớnh kể trờn, thường xuyờn cú mặt Fe2O3, TiO2, MgO,
CaO, K2O, Na2O với hàm lượng nhỏ. Ngoài ra, trong cao lanh nguyờn khai cũn
chứa cỏc khoỏng khỏc như haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, α – quat, rutil,
pyrit… nhưng hàm lượng khụng lớn.
Trong cỏc loại khoỏng sột thỡ kaolinit cú hàm lượng Al2O3 lớn nhất, thường
từ 36,83 ữ 40,22%, SiO2 cú hàm lượng nhỏ nhất, từ 43,64 ữ46,90%; cỏc oxyt khỏc
chiếm từ 0,76 ữ3,93% lượng nước hấp phụ bề mặt và lượng mất khi nung từ 12,79
ữ 15,37%, đụi khi bằng 10%. Tỷ số mol SiO2/R2O3 ( R; Al, Fe) thay đổi từ 1,85 ữ
2,94, trong đú tỷ số SiO2/Al2O3 thụng thường từ 2,1 ữ2,4 và cỏ biệt cú thể bằng
1,8.
I.4.2.2. Cấu trỳc tinh thể
Khoỏng vật chớnh trong cao lanh là kaolinit cú cấu trỳc lớp dạng diocta. Cấu trỳc tinh thế của kaolinit được hỡnh thành từ một mạng lưới tứ diện silic liờn kết với một mạng lưới bỏt diện nhụm tạo lờn một lớp cấu trỳc. Chiều dày của lớp này dao
động trong khoảng 7.1 ữ 7.21 Ǻ. Mỗi lớp cấu trỳc được phỏt triển liờn tục trong
khụng gian theo hướng trục a và b. Cỏc lớp cấu trỳc được chồng xếp song song với nhau và tự ngắt ra theo hướng trục c. Dưới đõy là cỏc loại cấu trỳc cơ bản của khoỏng sột tự nhiờn.
Hỡnh 1.3. Sơ đồ khụng gian mạng lưới cấu trỳc của kaolinit
Hỡnh 1.4. Cỏc loại cấu trỳc cơ bản của khoỏng sột tự nhiờn
I.4.2.3. Cỏc tớnh chất cơ bản
Cũng như cỏc khoỏng sột khỏc, ba tớnh chất cơ bản của cao lanh thường được đề cập đến là tớnh chất trao đổi ion, tớnh chất hấp phụ và tớnh chất xỳc tỏc.
Bề mặt riờng của kaolinit khụng lớn, thường dao động từ 15 ữ 20 m2/g. Điều
khả năng trương nở rất kộm nờn người ta thường khụng sử dụng kaolinit làm chất xỳc tỏc mà chỉ sử dụng làm chất nền
Tớnh chất cơ bản cũn lại của kaolinit là tớnh chất trao đổi ion. Trong đú, quỏ trỡnh trao đổi cation vào mạng tinh thể kaolinit thường được quan tõm nhiều hơn do
khả năng ứng dụng rộng hơn so với trao đổi anion. Cỏc đại lượng đặc trưng cho
dung lượng trao đổi được tớnh bằng mili đương lượng (meq) trờn 1 gam hoặc 100g
mẫu. Đối với kaolinit, dung lượng trao đổi cation rất nhỏ, chỉ khoảng 3 ữ 15
meq/100g và thường phản ỏnh hai tớnh chất quan trọng, đú là diện tớch bề mặt và điện tớch trờn diện tớch bề mặt ấy.
Bề mặt của kaolinit được chia làm bề mặt trong và bề mặt ngoài. Cation ở bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gẫy liờn kết và sự tăng khuyết tật bề mặt hay sự giảm kớch thước hạt. Cation ở bề mặt trong phản ỏnh toàn bộ điện tớch õm chưa cõn bằng trong mạng lưới cấu trỳc và khả năng hấp thụ của kaolinit. Núi rừ hơn, dung lượng trao đổi ion núi chung và cation núi riờng là tớn hiệu cho biết số ion hoặc
cation hấp thụ giữa cỏc lớp trong cấu trỳc và số ion hoặc cation hấp phụ lờn bề mặt
ngoài của kaolinit. Hỡnh 1.5 cho thấy rừ cỏc vị trớ trao đổi ion ở bờn ngoài hay bờn
trong hạt kaolinit.
Hỡnh 1.5. Cỏc vị trớ trao đổi ion khỏc nhau đối với hạt kaolinit
Cation của kaolinit phụ thuộc nhiều vào pH của mụi trường trao đổi và tăng
dần từ mụi trường axit đến mụi trường kiờm. Ngoài ra, cation cũn phụ thuộc vào bản chất của cỏc cation trao đổi: với cation trao đổi húa trị hai thường cho cation lớn hơn so với cation trao đổi húa trị một. Điều này được giải thớch bởi phản ứng
cho – nhận proton xuất hiện đụng thời trờn cỏc vị trớ của Si và Al trong mạng lưới cấu trỳc.
Khi nghiờn cứu nguyờn nhõn gõy ra sự trao đổi cation trong kaolinit người ta cho rằng cú hai nguyờn nhõn chủ yếu:
1) Sự phỏ vỡ liờn kết trờn bề mặt aluminosilicat làm tăng điện tớch chưa bóo hũa và cần được cõn bằng bởi cỏc cation hấp phụ.
2) Trong mạng lưới tinh thể kaolinit tồn tại cỏc nhúm -OH. Nguyờn tử của
nhúm này cú thể bị thay thế bởi cỏc cation cú khả năng trao đụi. Một nhúm -OH bao
quanh bề mặt bị phỏ vỡ của kaolinit đó tạo điều kiện cho cỏc nguyờn tử H trong nhúm này thực hiện phản ứng trao đổi. Đõy là nguyờn nhõn trực tiếp gõy ra sự trao đổi cation trong kaolinit.
Ngoài ra cũn cú thể cú nguyờn nhõn thứ 3 là sự thay thế đồng hỡnh Si4+bằng
Al3+trong mạng lưới tứ diện và Al3+ bằng cỏc cation cú húa trị thấp hơn (thường là
Mg2+) trong mạng lưới bỏt diện làm xuất hiện thờm điện tớch õm trong mạng lưới
cấu trỳc, dẫn đến sự trao đổi cation trong kaolinit.
Chớnh vỡ cú sự trao đổi cation này và sự cú mặt của cation Al3+ trong kaolinit
sẽ gúp phần vào quỏ trỡnh tạo thờm tõm axit khi tiến hành biến tớnh cao lanh để tạo
thành một loại xỳc tỏc “siờu axit” sử dụngtrong phản ứng tổng hợp biodiezel.